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Lexikon der Optik: lasergesteuerte Kernfusion

lasergesteuerte Kernfusion, die Auslösung thermonuklearer Fusionsreaktionen in einem durch Laserstrahlung auf hohe Temperaturen (≈ 100 MK) aufgeheizten und zu hohen Dichten komprimierten Gemisch aus den schweren Wasserstoffisotopen Deuterium D und Tritium T. Bei Verschmelzung (Fusion) eines D- und eines T-Kernes zu einem He-Kern entsprechend der Reaktion D + T → He + n + 17,6 MeV wird ein hochenergetisches Neutron n mit einer kinetischen Energie von 14,2 MeV als energielieferndes Produkt der Fusionsreaktion erzeugt. Ziel der Untersuchungen zur l. K. ist die Erzeugung eines heißen Plasmas mit einer Ionendichte von n ≈ 1029/m3 über eine Zeitdauer von τ ≈ 1 ns, womit das Lawson-Kriterium nτ ≈ 1020 m-3 s erfüllt würde. Damit sollte das sogenannte "break even" erreichbar sein, d.h. die Erzeugung von so viel Energie durch Fusionsneutronen (entsprechend einer Zahl von etwa 1017 Neutronen pro Laserimpuls) wie durch Laserstrahlung in das DT-Gemisch eingebracht wird. Hierzu wird das im einfachsten Falle in einem Glaskügelchen (Target) von 100 bis 500 μm Durchmesser eingeschlossene DT-Gemisch allseitig möglichst gleichmäßig mit Laserstrahlung bestrahlt. Dadurch wird das Gasgemisch aufgeheizt und sein innerer Teil bei explodierender äußerer (Glas-)Hülle gleichzeitig nach dem Impulserhaltungssatz zum Zentrum hin beschleunigt und damit komprimiert, so daß hohe Dichten erreicht werden. Zur Bestrahlung wird heute fast ausschließlich die Strahlung eines Hochleistungs-Nd-Glas-Lasers (vielfach nach Frequenzverdreifachung) nach hoher Nachverstärkung in zahlreichen Laserverstärkern verwendet. Die damit erreichten Leistungen liegen bei Impulsdauern um 1 ns bei etwa 1012 W, so daß nach Fokussierung im Bereich des Targets Leistungsdichten von 1020 W/m2 auftreten. Die benutzten Laseranlagen unterscheiden sich im wesentlichen durch die Anzahl der zur Bestrahlung verwendeten Kanäle, die üblicherweise zwischen 6 und 24 liegt. Die bedeutendsten von ihnen sind die Nd-Glas-Laseranlagen NOVA im Lawrence Livermore Laboratory (Energie 80 kJ bei einer Impulslänge von

1 ns) und OMEGA in Rochester (37 kJ in der 3. Harmonischen), beide USA, sowie die Anlage GEKKO XII im Institut für Laser Engineering in Osaka (30 kJ,

1 ns), Japan (s. Farbtafel ). Weit größere Anlagen mit erheblich mehr Kanälen und Impulsenergien von 1 bis 1,5 MJ sind in den USA, Japan und Frankreich geplant.

Bis heute erreicht wurden einerseits Plasmatemperaturen bis nahezu 108 K bei allerdings um den Faktor 100 zu kleiner Dichte, andererseits hohe Dichten bei um den Faktor 100 zu kleiner Temperatur. Die Zahl der erhaltenen Fusionsneutronen liegt bei 1014.

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